Quali sono le radiazioni fotosinteticamente disponibili (PAR) e le radiazioni fotosinteticamente utilizzabili (PUR) più adatte per le diverse piante/alghe nella coltivazione acquatica o algale?

一, Differenze nelle esigenze di luce dei diversi gruppi di piante acquatiche e come far funzionare meglio il PUR
1. Le piante acquatiche positive hanno bisogno di molta luce e funzionano bene sia con la luce rossa che con quella blu.
Per mantenere la loro forma e il colore vibrante del corpo, le piante acquatiche positive come le farfalle rosse e l'erba del palazzo hanno bisogno di molta luce. Il migliore intervallo PAR è 150–300 μmol/m²/s, sebbene l'efficienza PUR aumenti del 40% quando si utilizzano insieme la luce rossa da 660 nm e la luce blu da 450 nm. Ad esempio, l’ADA Aquatic Plant Laboratory in Germania utilizza un sistema LED per ottenere un rapporto luce rossa:luce blu di 3:1. Ciò fa sì che le piante acquatiche positive crescano del 28% in più rispetto alle normali lampadine fluorescenti. Allo stesso tempo, viene utilizzata la luce bianca da 6500 K per colmare le lacune nella banda della luce verde da 550 nm. Ciò rende più facile per la luce raggiungere le acque più profonde e risolve il problema della perdita di luce nelle aree di acque profonde.
2. Debole adattamento alla luce e bilanciamento dell'intero spettro delle piante acquatiche negative
Le piante acquatiche negative, come Iron Crown e Moss, possono prosperare nell'intervallo PAR di 20–70 μmol/m²/s. Tuttavia, l’efficienza del PUR dipende dalla copertura spettrale completa. Takagi Aqua, un'azienda giapponese, ha utilizzato la tecnologia di nanorivestimento per migliorare gli spettri dei LED. Sono stati in grado di ottenere un rapporto energetico di 1:2 tra la banda della luce blu (400–500 nm) e la banda della luce rossa (600–700 nm). Utilizzando la luce verde da 550 nm, anche la temperatura del colore dell'acqua è stata modificata a 6500 K, facendola sembrare un'impostazione di illuminazione naturale. Ciò ha reso le piante acquatiche negative il 35% più ricche di clorofilla-e ha rallentato la crescita delle alghe del 60%.
3. Compensazione della luce nella zona di transizione delle piante acquatiche
Le piante acquatiche, come le cipolle d'acqua e le canne, richiedono di modificare continuamente le impostazioni PAR/PUR perché crescono in un'area in cui l'acqua incontra la terra. Secondo una ricerca della Shanghai Ocean University, la sezione sottomarina della pianta cresce meglio con un PAR di 100–150 μ mol/m ²/s, mentre la parte sopra-acqua necessita di un'illuminazione elevata di 200–300 μ mol/m ²/s. Gli array di LED ad angolo regolabile vengono utilizzati in ingegneria e il sistema Internet of Things modifica automaticamente la modalità di illuminazione in base alla fase di crescita della pianta. Ad esempio, la luce blu da 450 nm viene utilizzata principalmente durante la fase di semina (il PUR rappresenta il 60%) per incoraggiare la crescita delle radici, mentre la luce rossa da 660 nm viene utilizzata principalmente durante la fase matura (il PUR rappresenta il 75%) per incoraggiare la fioritura.
2, Soglia fotoecologica e screening PUR per la crescita delle alghe
1. Il fabbisogno di luce delle microalghe è diverso per ciascuna specie.
Diversi tipi di alghe reagiscono in modo molto diverso al PAR/PUR:
Il miglior PAR per la Chlorella vulgaris è 50–150 μmol/m²/s, mentre la migliore efficienza PUR si ottiene quando si utilizzano insieme la luce blu a 450 nm e la luce rossa a 660 nm. Un esperimento con un fotobioreattore presso la Qingdao Ocean University ha dimostrato che l’utilizzo di un rapporto 1:1 tra luce blu e rossa ha aumentato la biomassa della clorella di 2,3 volte rispetto alla coltivazione sotto luce bianca, e la concentrazione di astaxantina del 40%.
La spirulina è un'alga che può sopportare molta luce. Il suo PAR saturo è superiore a 500 μmol/m²/s, ma la sua efficienza PUR è migliore nella banda a luce rossa di 660 nm. La Yunnan Spirulina Industry Base utilizza LED a banda stretta da 680 nm, che consente di ottenere una resa unitaria di oltre 120 g/m²/anno e rende la tradizionale coltura solare più efficiente del 300%.
Cianobatteri: c'è una certa quantità di luce rossa che possono assorbire a 620 nm, ma troppa luce rossa può facilmente innescare fioriture algali. Nel progetto di trattamento del bacino del lago Taihu, la luce blu a 450 nm inibisce l’attività del sistema fotosintetico II nei cianobatteri e, combinando la luce rossa a 660 nm, abbatte la ficobiliproteina. Ciò riduce la biomassa dei cianobatteri del 75% e aumenta la percentuale di alghe benefiche come le alghe verdi e le diatomee all'80%.
2. Il processo mediante il quale la competizione della luce viene interrotta nei gruppi di alghe
Nell’allevamento misto di alghe, la regolazione della qualità della luce è diventata un modo importante per migliorare la struttura della popolazione. Ad esempio, mentre si coltivano microalghe come esca, l'“addomesticamento della luce” viene eseguito modificando lo spettro dei LED in tempo reale:
Durante la fase di semina, viene utilizzata principalmente la luce blu a 450 nm (il PUR rappresenta il 70%) per impedire la crescita delle alghe filamentose e incoraggiare la riproduzione delle alghe unicellulari.
Durante la fase di crescita logaritmica, utilizzare la luce rossa a 660 nm come fonte dominante (il PUR rappresenta l'80%) per incoraggiare la divisione cellulare delle alghe.
Periodo stabile: aggiunta di luce verde a 550 nm (il PUR rappresenta il 10%) per ridurre l'effetto di fotoinibizione ed estendere il ciclo di produzione delle alghe.
Questo piano aumenta la percentuale di alghe di alta-qualità come Chlorella e Scenedesmus dal 60% al 92% e riduce i costi di filtraggio del 30%.
3, Il percorso verso l'implementazione dell'ingegneria e l'innovazione tecnologica
1. Sistema di controllo dell'ambiente luminoso intelligente
Utilizzando la tecnologia IoT per collegare sensori PAR, moduli di regolazione spettrale e dispositivi di monitoraggio del comportamento biologico, è possibile ottimizzare le condizioni di illuminazione in tempo reale. Ad esempio, un acquario a Sanya utilizza un sistema di illuminazione ambientale basato sull’intelligenza artificiale per modificare i componenti spettrali e la distribuzione dell’intensità della luce in tempo reale sulla base di dati come la luminosità del corallo e la velocità con cui nuotano i pesci.
Modalità diurna: luce bianca 6500K con il 10% di luce rossa aggiunta, PAR rimane tra 200 e 250 μ mol/m ²/s; Modalità notturna: luce calda 2700K con 5% di luce blu, PAR diminuisce a 50 μmol/m²/s;
Modalità di emergenza: quando viene interrotta la corrente, le luci rosse di sicurezza si accendono automaticamente in condizioni di scarsa illuminazione (inferiori o uguali a 20 μ mol/m ²/s) per ridurre al minimo lo stress sugli esseri viventi.
Questa tecnica aumenta il tasso di sopravvivenza degli esseri viventi al 98% e riduce il consumo di energia del 40%.
2. Utilizzo di materiali ottici che imitano la biologia
La nuova tecnica di nanorivestimento può imitare il modo in cui i corpi idrici naturali influenzano lo spettro della luce. Un centro commerciale di Shenzhen ha rivestito una pellicola di cristalli fotonici sul vetro di un acquario. Ciò riduce il tasso di attenuazione della banda della luce rossa (620–750 nm) del 60%, migliorando notevolmente l'illuminazione nelle sezioni di acque profonde. Funziona con un array di LED con messa a fuoco regolabile per ottenere una distribuzione del gradiente PAR subacqueo:
Lo strato superiore (0–30 cm) ha un PAR di 300 μmol/m²/s, con la luce rossa che costituisce il 70% del totale. Lo strato intermedio (30–60 cm) ha un PAR di 150 μmol/m²/s, con la luce rossa che costituisce il 50% del totale. Lo strato inferiore (60–90 cm) ha un PAR di 75 μmol/m²/s, con la luce rossa che costituisce il 30% del totale.
Questo design consente alle piante acquatiche positive di rimanere piccole in acque profonde, il che significa che non hanno bisogno di troppa luce extra.
3. Lavorare insieme sulla progettazione in tutti i campi
Gli ingegneri dell'illuminazione devono definire un metodo standard per lavorare con i biologi marini e gli psicologi del colore. Attraverso uno studio collaborativo di gruppo è stato scoperto un hotel a cinque-stelle a Hangzhou che:
Quando ai pesci pagliaccio è stata data una miscela di luce blu da 470 nm e luce gialla da 590 nm invece della normale luce bianca, hanno deposto 2,3 volte più uova. Quando alle alghe coralline gialle è stata fornita una luce bianca di 6500K e una luce viola del 10% (400-420 nm), l’efficienza di espressione delle proteine ​​fluorescenti in esse contenute è aumentata del 40%.
Cambiando lo spettro primario ogni due ore, l’indice di diversità comportamentale dei pesci è aumentato del 31%.